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史上最全的NB-IoT知識,每個通信人都應該了解的

新聞來源: http://mt.sohu.com/20161209/n475367678.shtml 人氣:0 發表時間:2019-06-03

通常,我們把物聯網設備分為三類:

  ①無需移動性,大數據量(上行),需較寬頻段,比如城市監控攝像頭。

  ②移動性強,需執行頻繁切換,小數據量,比如車隊追蹤管理。

  ③無需移動性,小數據量,對時延不敏感,比如智能抄表。

  NB-IoT正是為了應對第③種物聯網設備而生。

  NB-IoT源起于現階段物聯網的以下幾大需求:

  

  ?覆蓋增強(增強20dB)

  ?支持大規模連接,100K終端/200KHz小區

  ?超低功耗,10年電池壽命

  ?超低成本

  ?最小化信令開銷,尤其是空口。

  ?確保整個系統的安全性,包括核心網。

  ?支持IP和非IP數據傳送。

  ?支持短信(可選部署)。

  對于現有LTE網絡,并不能完全滿足以上需求。即使是LTE-A,關注的主要是載波聚合、雙連接和D2D等功能,并沒有考慮物聯網。

  比如,在覆蓋上,以水表為例,所處位置無線環境差,與智能手機相比,高度差導致信號差4dB,同時再蓋上蓋子,額外增加約10dB左右損耗,所以需要增強20dB。

  在大規模連接上,物聯網設備太多,如果用現有的LTE網絡去連接這些海量設備,會導致網絡過載,即使傳送的數據量小,可信令流量也夠得喝上幾壺。

  此外,NB-IoT有自己的特點,比如不再有QoS的概念,因為現階段的NB-IoT并不打算傳送時延敏感的數據包,像實時IMS一類的設備,在NB-IoT網絡里不會出現。

  因此,3GPP另辟蹊徑,在Release 13制定了NB-IoT標準來應對現階段的物聯網需求,在終端支持上也多了一個與NB-IoT對應的終端等級——cat-NB1。

  盡管NB-IoT和LTE緊密相關,且可集成于現有的LTE系統之上,很多地方是在LTE基礎上專為物聯網而優化設計,但從技術角度看,NB-IoT卻是獨立的新空口技術。

  今天,我們就來看看這一新空口技術到底有多新?

  1 網絡

  1.1 核心網

  為了將物聯網數據發送給應用,蜂窩物聯網(CIoT)在EPS定義了兩種優化方案:

  ?CIoT EPS用戶面功能優化(User Plane CIoT EPS optimisation)

  ?CIoT EPS控制面功能優化(Control Plane CIoT EPS optimisation)

  如上圖所示,紅線表示CIoT EPS控制面功能優化方案,藍線表示CIoT EPS用戶面功能優化方案。

  對于CIoT EPS控制面功能優化,上行數據從eNB(CIoT RAN)傳送至MME,在這里傳輸路徑分為兩個分支:或者通過SGW傳送到PGW再傳送到應用服務器,或者通過SCEF(Service Capa- bility Exposure Function)連接到應用服務器(CIoT Services),后者僅支持非IP數據傳送。下行數據傳送路徑一樣,只是方向相反。

  這一方案無需建立數據無線承載,數據包直接在信令無線承載上發送。因此,這一方案極適合非頻發的小數據包傳送。

  SCEF是專門為NB-IoT設計而新引入的,它用于在控制面上傳送非IP數據包,并為鑒權等網絡服務提供了一個抽象的接口。

  對于CIoT EPS用戶面功能優化,物聯網數據傳送方式和傳統數據流量一樣,在無線承載上發送數據,由SGW傳送到PGW再到應用服務器。因此,這種方案在建立連接時會產生額外開銷,不過,它的優勢是數據包序列傳送更快。

  這一方案支持IP數據和非IP數據傳送。

  1.2 接入網

  NB-IoT的接入網構架與LTE一樣。

  eNB通過S1接口連接到MME/S-GW,只是接口上傳送的是NB-IoT消息和數據。盡管NB-IoT沒有定義切換,但在兩個eNB之間依然有X2接口,X2接口使能UE在進入空閑狀態后,快速啟動resume流程,接入到其它eNB(resume流程將在本文后面詳述)。

  1.3 頻段

  NB-IoT沿用LTE定義的頻段號,Release 13為NB-IoT指定了14個頻段。

  2 物理層

  2.1 工作模式

  部署方式(Operation Modes)

  NB-IoT占用180KHz帶寬,這與在LTE幀結構中一個資源塊的帶寬是一樣的。所以,以下三種部署方式成為可能:

  

  1)獨立部署(Stand alone operation)

  適合用于重耕GSM頻段,GSM的信道帶寬為200KHz,這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬辟出空間,且兩邊還有10KHz的保護間隔。

  

  2)保護帶部署(Guard band operation)

  利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。

  3)帶內部署(In-band operation)

  利用LTE載波中間的任何資源塊。

  CE Level

  CE Level,即覆蓋增強等級(Coverage Enhancement Level)。從0到2,CE Level共三個等級,分別對應可對抗144dB、154dB、164dB的信號衰減?;九cNB-IoT終端之間會根據其所在的CE Level來選擇相對應的信息重發次數。

  雙工模式

  Release 13 NB-IoT僅支持FDD 半雙工type-B模式。

  FDD意味著上行和下行在頻率上分開,UE不會同時處理接收和發送。

  半雙工設計意味著只需多一個切換器去改變發送和接收模式,比起全雙工所需的元件,成本更低廉,且可降低電池能耗。

  在Release 12中,定義了半雙工分為type A和type B兩種類型,其中type B為Cat.0所用。在type A下,UE在發送上行信號時,其前面一個子幀的下行信號中最后一個Symbol不接收,用來作為保護時隙(Guard Period, GP),而在type B下,UE在發送上行信號時,其前面的子幀和后面的子幀都不接收下行信號,使得保護時隙加長,這對于設備的要求降低,且提高了信號的可靠性。

  

  2.2 下行鏈路

  對于下行鏈路,NB-IoT定義了三種物理信道:

  1)NPBCH,窄帶物理廣播信道。

  2)NPDCCH,窄帶物理下行控制信道。

  3)NPDSCH,窄帶物理下行共享信道。

  還定義了兩種物理信號:

  1)NRS,窄帶參考信號。

  2)NPSS和NSSS,主同步信號和輔同步信號。

  相比LTE,NB-IoT的下行物理信道較少,且去掉了PMCH(Physical Multicast channel,物理多播信道),原因是NB-IoT不提供多媒體廣播/組播服務。

  下圖是NB-IoT傳輸信道和物理信道之間的映射關系。

  MIB消息在NPBCH中傳輸,其余信令消息和數據在NPDSCH上傳輸,NPDCCH負責控制UE和eNB間的數據傳輸。

  NB-IoT下行調制方式為QPSK。NB-IoT下行最多支持兩個天線端口(Antenna Port),AP0和AP1。

  和LTE一樣,NB-IoT也有PCI(Physical Cell ID,物理小區標識),稱為NCellID(Narrowband physical cell ID),一共定義了504個NCellID。

  幀和時隙結構

  和LTE循環前綴(Normal CP)物理資源塊一樣,在頻域上由12個子載波(每個子載波寬度為15KHz)組成,在時域上由7個OFDM符號組成0.5ms的時隙,這樣保證了和LTE的相容性,對于帶內部署方式至關重要。

  每個時隙0.5ms,2個時隙就組成了一個子幀(SF),10個子幀組成一個無線幀(RF)。

  這就是NB-IoT的幀結構,依然和LTE一樣。

  NRS(窄帶參考信號)

  NRS(窄帶參考信號),也稱為導頻信號,主要作用是下行信道質量測量估計,用于UE端的相干檢測和解調。在用于廣播和下行專用信道時,所有下行子幀都要傳輸NRS,無論有無數據傳送。

  NB-IoT下行最多支持兩個天線端口,NRS只能在一個天線端口或兩個天線端口上傳輸,資源的位置在時間上與LTE的CRS(Cell-Specific Reference Signal,小區特定參考信號)錯開,在頻率上則與之相同,這樣在帶內部署(In-Band Operation)時,若檢測到CRS,可與NRS共同使用來做信道估測。

▲NRS資源位置

  同步信號

  NPSS為NB-IoT UE時間和頻率同步提供參考信號,與LTE不同的是,NPSS中不攜帶任何小區信息,NSSS帶有PCI。NPSS與NSSS在資源位置上避開了LTE的控制區域,其位置圖如下:

▲NPSS和NSSS資源位置

  NPSS的周期是10ms,NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在小區搜索時,會先檢測NPSS,因此NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列,這降低了初步信號檢測和同步的復雜性。

  NBPBCH

  NBPBCH的TTI為640ms,承載MIB-NB(Narrowband Master Information Block),其余系統信息如SIB1-NB等承載于NPDSCH中。SIB1-NB為周期性出現,其余系統信息則由SIB1-NB中所帶的排程信息做排程。

  和LTE一樣,NB-PBCH端口數通過CRC mask識別,區別是NB-IOT最多只支持2端口。NB-IOT在解調MIB信息過程中確定小區天線端口數。

  在三種operation mode下,NB-PBCH均不使用前3個OFDM符號。In-band模式下NBPBCH假定存在4個LTE CRS端口,2個NRS端口進行速率匹配。

▲NPBCH映射到子幀

▲黃色小格表明NPBCH資源占用位置,洋紅色表示NRS,紫色代表CRS

  NPDCCH

  NPDCCH中承載的是DCI(Downlink Control Information),包含一個或多個UE上的資源分配和其他的控制信息。UE需要首先解調NPDCCH中的DCI,然后才能夠在相應的資源位置上解調屬于UE自己的NPDSCH(包括廣播消息,尋呼,UE的數據等)。NPDCCH包含了UL grant,以指示UE上行數據傳輸時所使用的資源。

  NPDCCH子幀設計如下圖所示:

▲淺綠色和深綠色代表NPDCCH使用的RE,紫色代表LTE CRS,藍色代表NRS。上圖表示在LTE單天線端口和NB-IoT2天線端口下in-band模式的映射

  NPDCCH的符號起始位置:對于in-band,如果是SIB子幀,起始位置為3,非SIB子幀,起始位置包含在SIB2-NB中;對于stand-alone和Guard band,起始位置統一為0。

  NPDCCH有別于LTE系統中的PDCCH的是,并非每個Subframe都有NPDCCH,而是周期性出現。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space),分別用于排程一般數據傳輸、Random Access相關信息傳輸,以及尋呼(Paging)信息傳輸。

  各個Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應的最大重復次數Rmax,其Search Space的出現周期大小即為相應的Rmax與RRC層配置的一參數的乘積。

  RRC層也可配置一偏移(Offset)以調整Search Space的開始時間。在大部分的搜索空間配置中,所占用的資源大小為一PRB,僅有少數配置為占用6個Subcarrier。

  一個DCI中會帶有該DCI的重傳次數,以及DCI傳送結束后至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時間,NB-IoT UE即可使用此DCI所在的Search Space的開始時間,來推算DCI的結束時間以及排程的數據的開始時間,以進行數據的傳送或接收。

  NPDSCH

  NPDSCH的子幀結構和NPDCCH一樣。

  NPDSCH是用來傳送下行數據以及系統信息,NPDSCH所占用的帶寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊(Transport Block, TB)依據所使用的調制與編碼策略(MCS),可能需要使用多于一個子幀來傳輸,因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應的子幀數目以及重傳次數指示。

  2.3 上行鏈路

  對于上行鏈路,NB-IoT定義了兩種物理信道:

  1)NPUSCH,窄帶物理上行共享信道。

  2)NPRACH,窄帶物理隨機接入信道。

  還有:

  1)DMRS,上行解調參考信號。

  NB-IoT上行傳輸信道和物理信道之間的映射關系如下圖:

  除了NPRACH,所有數據都通過NPUSCH傳輸。

  時隙結構

  NB-IoT上行使用SC-FDMA,考慮到NB-IoT終端的低成本需求,在上行要支持單頻(Single Tone)傳輸,子載波間隔除了原有的15KHz,還新制訂了3.75KHz的子載波間隔,共48個子載波。

  當采用15KHz子載波間隔時,資源分配和LTE一樣。當采用3.75KHz的子載波間隔時,如下圖所示:

  15KHz為3.75KHz的整數倍,所以對LTE系統干擾較小。由于下行的幀結構與LTE相同,為了使上行與下行相容,子載波空間為3.75KHz的幀結構中,一個時隙同樣包含7個Symbol,共2ms長,剛好是LTE時隙長度的4倍。

  此外,NB-IoT系統中的采樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz,子載波間隔為3.75KHz的幀結構中,一個Symbol的時間長度為512Ts(Sampling Duration),加上循環前綴(Cyclic Prefix, CP)長16Ts,共528Ts。因此,一個時隙包含7個Symbol再加上保護區間(Guard Period)共3840Ts,即2ms長。

  NPUSCH

  NPUSCH用來傳送上行數據以及上行控制信息。NPUSCH傳輸可使用單頻或多頻傳輸。

▲單頻與多頻傳輸

  在NPUSCH上,定義了兩種格式:format 1和format 2。NPUSCH format 1 為UL-SCH上的上行信道數據而設計,其資源塊不大于1000 bits;NPUSCH format 2傳送上行控制信息(UCI)。

  映射到傳輸快的最小單元叫資源單元(RU,resource unit),它由NPUSCH格式和子載波空間決定。

  有別于LTE系統中的資源分配的基本單位為子幀,NB-IoT根據子載波和時隙數目來作為資源分配的基本單位,如下表所示:

  對于NPUSCH format 1,

  當子載波空間為3.75 kHz時,只支持單頻傳輸,一個RU在頻域上包含1個子載波,在時域上包含16個時隙,所以,一個RU的長度為32ms。

  當子載波空間為15kHz時,支持單頻傳輸和多頻傳輸,一個RU包含1個子載波和16個時隙,長度為8ms;當一個RU包含12個子載波時,則有2個時隙的時間長度,即1ms,此資源單位剛好是LTE系統中的一個子幀。資源單位的時間長度設計為2的冪次方,是為了更有效的運用資源,避免產生資源空隙而造成資源浪費。

  對于NPUSCH format 2,

  RU總是由1個子載波和4個時隙組成,所以,當子載波空間為3.75 kHz時,一個RU時長為8ms;當子載波空間為15kHz時,一個RU時長為2ms。

  對于NPUSCH format 2,調制方式為BPSK。

  對于NPUSCH format 1,調制方式分為以下兩種情況:

  ●包含一個子載波的RU,采用BPSK和QPSK。

  ●其它情況下,采用QPSK。

  由于一個TB可能需要使用多個資源單位來傳輸,因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行數據傳輸所使用的資源單位的子載波的索引(Index),也會包含一個TB對應的資源單位數目以及重傳次數指示。

  NPUSCH Format 2是NB-IoT終端用來傳送指示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK,所使用的子載波的索引(Index)是在由對應的NPDSCH的下行分配(Downlink Assignment)中指示,重傳次數則由RRC參數配置。

  DMRS

  根據NPUSCH格式,DMRS每時隙傳輸1個或者3個SC-FDMA符號。

▲NPUSCH format 1。上圖中,對于子載波空間為15 kHz ,一個RU占用了6個子載波。

▲NPUSCH format 2,此格式下,RU通常只占一個子載波。

  NPRACH

  和LTE的Random Access Preamble使用ZC序列不同,NB-IoT的Random Access Preamble是單頻傳輸(3.75KHz子載波),且使用的Symbol為一定值。一次的Random Access Preamble傳送包含四個Symbol Group,一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP,如下圖:

▲Radom Access Preamble Symbol Group

  每個Symbol Group之間會有跳頻。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的子載波。

  基站會根據各個CE Level去配置相應的NPRACH資源,其流程如下圖:

▲NB-IoT Random Acces流程

  Random Access開始之前,NB-IoT終端會通過DL measurement(比如RSRP)來決定CE Level,并使用該CE Level指定的NPRACH資源。一旦Random Access Preamble傳送失敗,NB-IoT終端會在升級CE Level重新嘗試,直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止。

  3 小區接入

  NB-IoT的小區接入流程和LTE差不多:小區搜索取得頻率和符號同步、獲取SIB信息、啟動隨機接入流程建立RRC連接。當終端返回RRC_IDLE狀態,當需要進行數據發送或收到尋呼時,也會再次啟動隨機接入流程。

  3.1 協議棧和信令承載

  總的來說,NB-IoT協議?;贚TE設計,但是根據物聯網的需求,去掉了一些不必要的功能,減少了協議棧處理流程的開銷。因此,從協議棧的角度看,NB-IoT是新的空口協議。

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